引用格式：纪楠, 尹艳玲, 沈维政, 寇胜利, 戴百生, 王国维. 叫声在生猪福利监测中的研究进展与挑战[J]. 智慧农业(中英文), 2022, 4(2): 19-35.
JI Nan, YIN Yanling, SHEN Weizheng, KOU Shengli, DAI Baisheng, WANG Guowei. Pig Sound Analysis: A Measure of Welfare[J]. Smart Agriculture, 2022, 4(2): 19-35.
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叫声在生猪福利监测中的研究进展与挑战
纪楠，尹艳玲，沈维政*，寇胜利，戴百生，王国维
（东北农业大学电气与信息学院，黑龙江哈尔滨150030）
基于麦克风的音频技术正处于迅速发展阶段，且生猪叫声是评估生猪福利的重要方式之一。以往基于音频技术的研究主要集中在生猪的咳嗽声、尖叫声或呼噜声等特定的生猪叫声与生猪福利之间的关系。同时，现有的研究综述重点针对多种猪舍内常见的传感器进行优劣势分析，缺乏深入探究特定的传感器技术在生猪福利监测的技术分析和评估。因此，本文系统地阐述了以生猪叫声作为福利监测手段的现有研究方法和评价指标。此外，从技术层面出发，对生猪叫声音频分析技术的各个模块进行总结和分析。所面临的挑战和前景可概括为以下几个方面。
（1） 不同生长阶段的音频数据获取难度较高。尽管获取不同生长阶段的声音数据对分析复杂多变的生猪福利情况是十分必要的，但是，目前生猪叫声研究仍是处于某一特定的生长阶段。这一现状主要是由于非洲猪瘟的爆发导致了大型商业养猪场实行了更严格的管理，相关的研究不得不处于间断式研究状态。随着疫情的缓解，这种情况可能得到改善。同时，未来可以考虑在中小型养猪场继续进行先行试验。
（2） 缺少完善的声音指标与动物福利监测评价体系。目前基于生猪声音的识别监测技术仍处于高度技术依赖的发展阶段，缺乏与动物福利之间的探究和整合。尽管细化猪场实验细节包括舍内声音分析及生猪生理指标对比等非常重要，但国内还未开展相关研究。为了克服这一困境，未来应加强不同学科研究人员的参与及合作，进一步深入探究生猪叫声与疾病的关系，为这一学科构建监测标准和评价体系。
（3） 生猪个体福利难以监测。目前，生猪叫声定位的相关研究较少，仍处于早期探索阶段。尽管实验阶段我们可以尝试采用多麦克风以提升声音数据质量和目标定位测算的精度，然而在实际应用中，我们应考虑在麦克风数量、定位精度和成本之间实现最佳平衡。基于麦克风传感器的声音定位技术正在不断升级，但它们只能尽可能地缩小声音监测的范围，实现对生猪个体进行精准分析仍然是困难的。鉴于生猪个体福利监测的重要性，将不同的传感器下的监测方式，如图像监测、视频监测及红外线监测等多种手段聚合在一起，结合不同方法的优势，以实现多模态的共同监测将是未来的重要研究方向。
（4） 商业产品开发受限。目前有关生猪叫声识别技术的研究大多停留在算法研究阶段，仅有SoundTalks和STREMODO系统等国外产品，且仍处于局部地域试行阶段。基于麦克风技术需要广泛考虑猪场环境的多样性和复杂性，以及生猪个体的差异性和动态性等多种因素，由此，在监测精度可靠性和设备维护成本低的双重条件下，商业应用转化仍存在一定的技术挑战性。同时，鉴于养猪从业者仍是现阶段实现精准畜牧业的核心，应当充分考虑养猪从业者的对新技术的认可度。尽管精准畜牧方式尚未达成行业共识，根据调查表明半数以上的养猪从业者期望借助新技术协助养猪，进而实现降低养殖成本，同时进一步提升猪场的经济效益。
最后，考虑到生猪产业正处于集约化和智能化的发展阶段，非接触式的生猪声音分析是实现精准畜牧业的重要组成部分，无疑也是未来生猪生产持续进步的关键技术之一。克服技术限制，加深传统生猪畜牧产业和人工智能技术的融合发展，从而有效推动相关技术产品的研发，进而加快实现精准畜牧业的目标，促进畜牧业转型升级后的高质量的可持续发展。
文章图片
Fig. 1 Flowchart of sound analysis
Note：Root mean square （RMS）；short-time energy （STE）；zero crossing rate （ZCR）；power spectral density （PSD）；Mel frequency cepstrum coefficients （MFCCs）；linear prediction cepstral coefficient （LPCCs）；short-time Fourier transform （STFT）
Fig. 2 Audio features used in analysis of pig sound
来源：《智慧农业（中英文）》2022年第2期
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通讯作者简介
沈维政 教授
沈维政（1977.11—），国家奶牛产业技术体系智能化养殖岗位科学家，农业农村部东北智慧农业技术重点实验室副主任，黑龙江省数字农业协同创新推广体系主任专家，国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作重点专项”负责人，东北农业大学计算机科学与技术学科带头人、学术英才，《智慧农业（中英文）》青年编委，中国畜牧兽医学会信息技术分委会常务理事，中国自动化学会智慧农业专业委员会委员。主持国家重点研发计划、省科技重大、国家自然科学基金等项目15项；获黑龙江省科技进步二等奖1项、自然科学技术三等奖2项、教学成果一等奖1项、畜牧科技成果一等奖1项；获授权发明/实用新型专利、软件著作权40余项；发表学术论文70余篇，其中SCI、EI收录42篇；主编、副主编教材4部。
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